金映麗，馬禮鵬

(沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

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基于Simmechanics的汽車雨刷器運(yùn)動仿真研究

金映麗，馬禮鵬

(沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

為了提高汽車雨刷器運(yùn)動規(guī)律的設(shè)計水平和效率，利用MATLAB的動態(tài)仿真模塊集Simmechanics建立了汽車雨刷器運(yùn)動分析的仿真模型，闡述了這種建模方法與仿真的實(shí)現(xiàn)過程。仿真結(jié)果表明該方法能高效、準(zhǔn)確地得到雨刷器的運(yùn)動參數(shù)，能為雨刷器的尺寸選型、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。

MATLAB；Simmechanics；雨刷器；運(yùn)動仿真

0 引言

隨著世界汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，雨刷器的用途也越來越廣泛，但是刮除擋風(fēng)玻璃上的水漬與灰塵依然是雨刷器最基本的結(jié)構(gòu)功能，為了保證雨刷器刮除污漬的效果，雨刷器運(yùn)動規(guī)律的研究依然是設(shè)計雨刷器的主要依據(jù)。

運(yùn)動規(guī)律的分析方法有很多，比較傳統(tǒng)的方法包括圖解法、解析法和實(shí)驗法[1]，這些傳統(tǒng)的方法都有著計算復(fù)雜、耗時長的缺點(diǎn)。如今，隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷更新發(fā)展，應(yīng)用計算機(jī)軟件對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行仿真、分析、計算變得越來越多。

MATLAB軟件運(yùn)算功能強(qiáng)大，包含了很多用來解決實(shí)際工程問題的工具箱。其中Simmechanics是MATLAB/Simulink模塊庫中的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)模塊集，它為多體動力機(jī)械系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)提供了直觀有效的建模分析手段，通過對各種運(yùn)動副連接的剛體進(jìn)行建模與仿真，可以實(shí)現(xiàn)對機(jī)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計的目的[2]。本文利用Simmechanics實(shí)現(xiàn)了對雨刷器運(yùn)動機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的實(shí)時仿真分析和機(jī)構(gòu)運(yùn)動狀態(tài)的實(shí)時顯示，為檢驗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)功能優(yōu)劣提供了高效的平臺，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計提供了有效的分析數(shù)據(jù)。

1 雨刷器機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真分析模型

1.1 雨刷器機(jī)構(gòu)模型

某汽車雨刷器機(jī)構(gòu)如圖1所示，原動件1繞固定軸心A轉(zhuǎn)動，齒條2與構(gòu)件1在B點(diǎn)處鉸接，并與繞固定軸心D轉(zhuǎn)動的齒輪3嚙合(滾子5用來保證兩者始終嚙合)，固聯(lián)于輪3的雨刷3′作往復(fù)擺動。其中各個結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)為：Lab=18 mm，齒輪3的分度圓半徑R=Lcd=12 mm，原動件1以等角速度ω=1 rad/s逆時針回轉(zhuǎn)。

圖1 雨刷器機(jī)構(gòu)

由于不規(guī)則剛體的形狀、慣量矩陣的計算比較復(fù)雜，而且對研究運(yùn)動規(guī)律的結(jié)果影響不大，因此為了便于計算與仿真，簡化構(gòu)件為規(guī)則的圓柱桿。該雨刷機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡化圖如圖2所示，其中AB桿為原動件1，BC桿為與原動件1在B點(diǎn)處鉸接的齒條2，CD為與齒條2嚙合的齒輪3和滾子5的簡化模型。為了減少參數(shù)的設(shè)置計算量，假設(shè)雨刷機(jī)構(gòu)的仿真初始位置從原動件AB桿與水平方向成90°的位置開始，如圖2所示，并將各桿件視為半徑為5 mm 的均質(zhì)圓柱桿。初始位置參數(shù)及桿件質(zhì)量和慣量矩陣的計算，編制的m文件代碼如下：

r=0.5;

%圓桿半徑

gg=7.81*pi*r^2;

%圓桿單位長度質(zhì)量

%各個桿件的長度

L1=18;

L2=80;

L3=0.5;

L4=12;

%機(jī)構(gòu)各點(diǎn)的位置

A=[0 0 0];

B=[0 18 0];

C=[56.12 11.93 0];

D=[54.83 0 0];

E=[79.54 9.4 0];

%各個桿件的質(zhì)量和慣量矩陣

M1=L1*gg*1e-9;

T1=diag([r^2/2,L1^2/12,L1^2/12])*M1;

M2=L2*gg*1e-9;

T2=diag([r^2/2,L2^2/12,L2^2/12])*M2;

M3=L3*gg*1e-9;

T3=diag([r^2/2,L3^2/12,L3^2/12])*M3;

M4=L4*gg*1e-9;

T4=diag([r^2/2,L4^2/12,L4^2/12])*M4;

圖3 雨刷器Simmechanics仿真模型

其中，均質(zhì)圓桿的轉(zhuǎn)動慣量矩陣為：

式中，m為桿的質(zhì)量，r為桿的截面半徑，L為桿長。

圖2 雨刷器的結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 Simmechanics仿真模型建立

Simmechanics主要應(yīng)用于機(jī)械系統(tǒng)的剛體運(yùn)動仿真，在Simmechanics模塊集中具有模擬旋轉(zhuǎn)運(yùn)動、平移運(yùn)動、固定焊接等運(yùn)動模塊，可以方便地定義剛體的質(zhì)量屬性和運(yùn)動屬性[3]。

仿真模型的建立與Simulink建模相似，可以采用直接拖拽模塊到新建的模型中。建立雨刷機(jī)構(gòu)仿真模型時，分析雨刷機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖，該機(jī)構(gòu)包括機(jī)架、3個桿件、1個滑塊、4個轉(zhuǎn)動副和1個移動副。因此在剛體子模塊組(Bodies)中找出Ground、Machine Environment和Body 3個模塊，加入到新建模型中；在運(yùn)動副模塊組(Joints)中找出Revolute和Prismatic兩個模塊，加入到新建模型中；最后通過雨刷機(jī)構(gòu)簡圖構(gòu)件之間的關(guān)系，連接各個模塊。

曲柄AB桿為原動件，在模型的轉(zhuǎn)動副A處添加驅(qū)動。因為原動件以等角速度勻速轉(zhuǎn)動，所以選擇檢測與促動模塊組(Sensors&Actuators)中的Joint Actuator模塊。雙擊該模塊，設(shè)置輸入信號為運(yùn)動信號Motion，包括角度、角速度、角加速度，并選擇角度、角速度、角加速度的單位分別為rad、rad/s、rad/s2。驅(qū)動信號可以用Simulink模塊庫中的信號源(Sources)模塊組的Constant模塊代表角速度，此處設(shè)置為1，它的積分表示角位移，原動件為勻角速度運(yùn)動，加速度可用Constant模塊設(shè)置為0來表示。把3個信號一并輸入到Joint Actuator中。

雨刷器的Simmechanics仿真模型如圖3所示，根據(jù)桿件的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量、尺寸等設(shè)置模塊參數(shù)。其中各桿件的兩端坐標(biāo)、質(zhì)心位置、質(zhì)量和慣量設(shè)置，通過運(yùn)行m文件獲得相應(yīng)數(shù)值。圖4為齒條桿BC的參數(shù)設(shè)置對話框。其中，桿的質(zhì)量為M2、轉(zhuǎn)動慣量矩陣為T2，質(zhì)心坐標(biāo)(E+B)/2，選擇世界坐標(biāo)系；主動端在translated from original of列選擇adjoining，并將origin position vector設(shè)為(0 0 0)；從動端選擇世界坐標(biāo)系，并將坐標(biāo)E填寫到對應(yīng)欄目中(其他模塊參數(shù)設(shè)置略)。

圖4 桿件BC的參數(shù)設(shè)置

雨刷器的運(yùn)動規(guī)律主要通過分析雨刷器轉(zhuǎn)軸D的轉(zhuǎn)動規(guī)律獲得，在仿真模型中通過檢測與促動模塊組(Sensors&Actuators)中的Joint Sensor模塊輸出，因此選擇角位移(deg)、角速度(deg/s)和角加速度(deg/s2)3項，并將雨刷器轉(zhuǎn)軸D的運(yùn)動參數(shù)輸出到MATLAB工作空間中，然后利用“plot(simout)”命令繪制出運(yùn)動規(guī)律曲線[4-5]。

1.3 仿真的運(yùn)行與結(jié)果

在Simmechanics仿真模型中設(shè)置仿真時間以實(shí)時動畫形式顯示參數(shù)即可以進(jìn)行仿真。該雨刷機(jī)構(gòu)的運(yùn)動周期為6～7 s，所以設(shè)置仿真時間為14 s(2個周期)，并在Model configuration parameters選項中設(shè)置實(shí)時動畫形式顯示(showing animation during simulation)，運(yùn)行仿真[6]。機(jī)構(gòu)的實(shí)時仿真動畫如圖5所示。

圖5 實(shí)時仿真動畫

轉(zhuǎn)動副D的角位移、角速度、角加速度等數(shù)據(jù)，通過模塊simout輸出到MATLAB工作空間中，在工作空間中用“plot(simout)”命令繪制出表示雨刷器轉(zhuǎn)軸D的運(yùn)動規(guī)律曲線，如圖6(角位移)、圖7(角速度)、圖8(角加速度)所示。

從雨刷器轉(zhuǎn)軸D角位移等曲線可以看出：雨刷器以6.28 s為一個周期往復(fù)擺動；根據(jù)雨刷器轉(zhuǎn)軸D的角位移曲線，可以計算出該雨刷器的擺程角為39.5 deg；根據(jù)雨刷器轉(zhuǎn)軸D的角速度，可以得出在勻速輸入條件下，在0～3.7 s時間段，雨刷器的角速度值在0～15 deg/s之間變化，在3.7～6.28 s時間段，雨刷器的角速度值在0～30 deg/s之間變化，可見雨刷器具有急回的特性。

圖6 雨刷器轉(zhuǎn)軸D角位移曲線

圖7 雨刷器轉(zhuǎn)軸D角速度曲線

圖8 雨刷器轉(zhuǎn)軸D角加速度曲線

2 結(jié)論

通過該雨刷器的運(yùn)動仿真可以看出，在機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，Simmechanics 軟件相比傳統(tǒng)的解析計算方法有較多的優(yōu)勢。利用該軟件建立的模型不僅可以直觀地觀察雨刷器實(shí)時的運(yùn)動狀態(tài)，而且根據(jù)雨刷器轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動參數(shù)，可以快速地獲得雨刷器的轉(zhuǎn)動規(guī)律。不僅如此，通過修改模塊的參數(shù)，可以對不同的設(shè)計方案進(jìn)行仿真分析，從而對不同的設(shè)計方案進(jìn)行對比，實(shí)現(xiàn)雨刷器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，為后續(xù)的設(shè)計提供依據(jù)?？梢?，基于MATLAB的Simmechanics機(jī)構(gòu)系統(tǒng)仿真，無論從功能還是效率上都有較大的優(yōu)勢。

[1] 魏兵,熊禾根.機(jī)械原理[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2007.

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[5] 王增勝,孔令云,郭曉君.基于 Simmechanics 的偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)建模及仿真研究[J].現(xiàn)代機(jī)械,2013(5):19-22.

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Research for kinematic simulation of motor vehicle wiper based on Simmechanics

Jin Yingli, Ma Lipeng

(School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

For increasing the design level and efficiency of motor vehicle wiper,the article uses the Simmechanics which is the dynamic simulation module of MATLAB to build the simulation model of motor vehicle wiper, and describes the modeling method and the simulation process. The results show that the simulation method can efficiently and accurately obtain the motion parameters of the wipe. It can provide data support for the size selection and structure optimization design of wipe.

MATLAB; Simmechanics; wipe; kinematic simulation

TP391.9

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.13.026

金映麗，馬禮鵬.基于Simmechanics的汽車雨刷器運(yùn)動仿真研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(13)：85-87.

2017-01-09)

金映麗(1972-)，女，博士，副教授，主要研究方向： CAD/CAM、機(jī)械強(qiáng)度。

馬禮鵬(1991-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：機(jī)械設(shè)計。E-mail：marleap_mlp@163.com。